آشنایی با ترانزیستور تک پیوندی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، ترانزیستور تک پیوندی یا به‌اختصار UJT، یک آلمان نیمه‌هادی سه سر است که در پالس دریچه‌ای، مدارهای زمان‌بندی و برنامه‌های راه‌انداز ژنراتور برای تغییر و کنترل تریستور و ترایاک برای کاربردهای کنترل منبع تغذیه AC قابل ‌استفاده است.

ترانزیستورهای تک پیوندی، مانند دیودها، از قطعات نیمه‌هادی نوع P و نوع n ساخته ‌شده‌اند، به‌طوری‌که قطعه نیمه‌هادی نوع P در کانال قطعه نوع n نفوذ داده‌شده است. اگرچه ترانزیستور تک پیوندی جزو دسته ترانزیستورها است اما ویژگی‌های سوئیچینگ آن با ترانزیستور دوقطبی معمولی یا ترانزیستور اثر میدان بسیار متفاوت است؛ زیرا این ترانزیستور را نمی‌توان برای تقویت سیگنال استفاده کرد بلکه به‌عنوان ترانزیستور سوئیچ on-off استفاده می‌شود. ترانزیستور UJT دارای ویژگی‌های رسانایی یک جهته و امپدانس منفی است که شبیه یک مقسم ولتاژ (voltage divider) در آستانه از کار افتادن عمل می‌کند.

ترانزیستور UJT، همانند ترانزیستور اثر میدان (FET) N کانال، شامل یک قطعه نیمه‌هادی نوع N است. دو اتصال پایه‌های Base1(B1) و Base 2 (B2) را به کانال اتصال جریان اصلی وصل می‌کند. اتصال سوم، یک امیتر (E) است که در امتداد کانال واقع شده است. پایانه امیتر با یک فلش از امیتر نوع P به پایه نوع N نشان داده ‌شده است.

اتصال P-N بین امیتر و پایه ترانزیستور تک پیوندی از ذوب کردن قطعه نوع P به درون کانال سیلیکونی نوع N شکل می‌گیرد. بااین‌حال، ترانزیستور تک پیوندی با پایانه امیتر نوع N نیز وجود دارد اما بسیار کم‌کاربرد است. اتصال امیتر در بالای کانال قرار دارد، بنابراین به پایانه B2 نزدیک‌تر است (در مقایسه با پایانه B1). یک فلش اشاره به سمت پایه در نماد ترانزیستور UJT استفاده‌ شده است که نشان می‌دهد پایانه امیتر مثبت است و نوار سیلیکونی قطعه منفی است. در شکل زیر نماد UJT، معماری ساخت ترانزیستور و مدار معادل UJT نمایش داده‌شده است.

نمایش مداری و معماری ساخت ترانزیستور تک پیوندی

توجه داشته باشید که نماد ترانزیستور تک پیوندی بسیار شبیه ترانزیستور پیوندی اثر میدان (JEFT) است، با این تفاوت که یک فلش خمیده نشان‌دهنده امیتر (E) در نماد ترانزیستور تک پیوندی وجود دارد. باوجوداینکه کانال‌های اهمی ترانزیستورهای UJT و JEFT مشابه است. اما عملکرد آن‌ها بسیار متفاوت است و نباید با یکدیگر اشتباه گرفته شوند.

ترانزیستور تک پیوندی (UJT) چگونه کار می‌کند؟ از مدار معادل ترسیم‌ شده در شکل بالا می‌توان مشاهده کرد که کانال نوع N شامل دو مقاومت سری RB1 و RB2 و یک دیود ایده آل است؛ D نشان‌دهنده پیوند p-n متصل به نقطه مرکزی مقاومت‌ها است. این پیوند p-n امیتر در هنگام ساخت در امتداد کانال اهمی قرار می‌گیرد و بنابراین موقعیت آن قابل ‌تغییر نمی‌باشد.

مقاومت RB1 بین امیتر (E) و پایه B1 است، درحالی‌که مقاومت RB2 بین امیتر (E) و پایانه B2 است. ازآنجایی‌که موقعیت فیزیکی پیوند P-n به پایانه B2نسبت به پایانه B1نزدیک‌تر است. بنابراین مقدار مقاومت RB2 کمتر از RB1 خواهد بود.

مقاومت کلی نوار سیلیکونی (مقاومت اهمی آن) به سطح دوپینگ نیمه‌هادی و همچنین ابعاد فیزیکی کانال سیلیکونی نوع N بستگی دارد اما می‌توان آن را با RBBنمایش داد. اگر این مقاومت کلی با یک اهم‌سنج اندازه‌گیری شود، میزان مقاومت برای اغلب ترانزیستورهای تک پیوندی معمولی مانند 2N1671، 2N2646 یا 2N2647 در حدود 4 کیلو اهم (4kΩ) و 10 کیلو اهم (10kΩ) خواهد بود.

این دو مقاومت سری، یک شبکه مقسم ولتاژ بین دو پایانه پایه‌ای ترانزیستور تک پیوندی تولید می‌کنند و ازآنجایی‌که این کانال از B2تا ‌‌B1 گسترش می‌یابد، هنگامی‌که یک ولتاژ در دو سر دستگاه اعمال می‌شود، پتانسیل در هر نقطه در طول کانال متناسب با موقعیت آن بین پایانه‌های B2و B1خواهد بود. بنابراین شدت ولتاژ به میزان ولتاژ منبع تغذیه بستگی دارد.

هنگامی‌که ترانزیستور تک پیوندی در یک مدار مورداستفاده قرار می‌گیرد، پایانه B1 به زمین وصل می‌شود و امیتر (E) به‌عنوان ورودی دستگاه عمل می‌کند. فرض کنید که یک ولتاژ VBB در دو سر UJT بین B1 و B2اعمال شود به‌طوری‌که B2 نسبت به B1 دارای بایاس مثبت باشد. با اعمال ورودی صفر امیتر، ولتاژ منتشرشده در RB1 (پایین‌ترین مقاومت) از مقسم ولتاژ مقاومت را می‌توان به شکل زیر محاسبه کرد:

ولتاژ RB1 ترانزیستور تک پیوندی

نسبت مقاومت RB1به RBB برای ترانزیستور تک پیوندی که در بالا نشان داده‌شده است، نسبت ولتاژ شکست درونی نامیده شده و با حرف یونانی η نمایش داده می‌شود. مقادیر استاندارد معمول η (اتا) برای اکثر ترانزیستورهای تک پیوندی از 5/0 تا 8/0 است.

اگر یک ولتاژ مثبت ورودی که از ولتاژ دو سر مقاومت RB1R_B1 (ηVBB) کوچک‌تر است به پایانه ورودی امیتر اعمال شود آنگاه پیوند P-N دیود در بایاس منفی قرار می‌گیرد، بنابراین امپدانس بسیار بالایی تولیدشده و قطعه عمل نمی‌کند. ترانزیستور تک پیوندی (UJT) خاموش شده و جریان جاری صفر می‌شود. بااین‌حال، زمانی که ولتاژ ورودی امیتر افزایش یابد و از VRB1 (یا ηVBB +0/7 V، به‌طوری‌که 0.7 V معادل افت ولتاژ پیوند P-N باشد) بیشتر شود آنگاه پیوند p-n در بایاس مثبت قرار می‌گیرد و ترانزیستور تک پیوندی عمل می‌کند. درنتیجه جریان امیترηIE از امیتر به منطقه پایه جریان می‌یابد.

جریان امیتر اضافی جاری در پایه باعث کاهش بخش مقاومتی کانال بین پیوند امیتر و پایانه B1 می‌شود. این کاهش میزان مقاومت RB1R_B1 به یک مقدار بسیار پایین به این معنی است که بایاس مثبت (مستقیم) پیوند امیتر بیشتر شده و باعث افزایش جریان جاری می‌شود. این نتایج به ایجاد مقاومت منفی در پایانه امیتر منجر می‌شود. به همین ترتیب، اگر ولتاژ ورودی بین امیتر و پایانه B1 از ولتاژ آستانه شکست (Breakdown) کمتر شود آنگاه مقدار مقاومت RB1 بسیار زیاد می‌شود. پس ترانزیستور تک پیوندی را می‌توان به‌عنوان یک دستگاه شکست ولتاژ در نظر گرفت.

بنابراین می‌توان مشاهده کرد که مقاومت RB1متفاوت بوده و به میزان جریان امیتر (IE) بستگی دارد. بنابراین بایاس مثبت (مستقیم) اتصال امیتر نسبت به B1 باعث افزایش جریان می‌شود، درنتیجه مقاومت بین امیتر (E) و B1 کاهش می‌یابد.

به‌عبارت‌دیگر، جریان جاری در امیتر UJT باعث کاهش مقدار مقاومت RB1 و ولتاژ دو سر آن می‌شود، درنتیجه جریان بیشتری جاری‌شده و شرایط مقاومت منفی فراهم می‌شود.

کاربردهای ترانزیستور تک پیوندی

اکنون‌که با نحوه عملکرد ترانزیستور تک پیوندی آشنا شدیم، کاربردهای این ترانزیستور را بررسی می‌کنیم. بیشترین کاربرد ترانزیستور تک پیوندی به‌عنوان دستگاه راه‌انداز SCR و ترایاک ها است. دیگر کاربردهای این ترانزیستور شامل ژنراتور دندان‌اره‌ای، شامل نوسان‌سازهای ساده، کنترل فاز و مدارهای زمان‌بندی است. ساده‌ترین مدارهای UJT، نوسان‌ساز رلاکسیون تولیدکننده شکل موج‌های غیرسینوسی است.

همان‌طور که در شکل زیر نشان داده‌شده است، در مدارهای معمولی نوسان‌ساز رلاکسیون ترانزیستور UJT، پایانه امیتر ترانزیستور تک پیوندی به محل اتصال سری مقاومت و خازن در مدار RC متصل می‌شود.

وقتی‌که ولتاژ (VS) برای اولین دفعه اعمال می‌شود، ترانزیستور تک پیوندی خاموش (off) است و خازن C1 کاملاً تخلیه (دشارژ) شده است، اما به‌صورت نمایی از طریق مقاومت R3 شروع به شارژ می‌کند. ازآنجایی‌که امیتر UJT به خازن متصل است، هنگامی‌که ولتاژ شارژ خازن (VC) از میزان افت ولتاژ دیود بیشتر شود، اتصال P-N مانند یک دیود عادی رفتار می‌کند و در بایاس مستقیم (مثبت) قرار می‌گیرد، درنتیجه ترانزیستور UJT شروع به هدایت می‌کند. ترانزیستور تک پیوندی روشن (ON) می‌شود. در این مرحله، امپدانس امیتر به B1 کاهش می‌یابد، به‌طوری‌که امیتر در حالت اشباع امپدانس پایین قرار می‌گیرد و جریان امیتر در مقاومت R1 جاری می‌شود.

ازآنجایی‌که مقدار اهمی مقاومت R1 بسیار کم است، خازن به‌سرعت از طریق ترانزیستور UJT تخلیه شارژ (دشارژ) می‌شود و یک پالس ولتاژ بالارونده سریع در دو سر مقاومت R1 ظاهر می‌شود. همچنین، به این دلیل که سرعت تخلیه شارژ (دشارژ) خازن در UJT از سرعت شارژ آن از طریق مقاومت R3 بسیار بیشتر است، پس زمان تخلیه شارژ از زمان شارژ شدن بسیار کمتر است. زیرا خازن از طریق مقاومت کم UJT تخلیه می‌شود.

هنگامی‌که ولتاژ دو سر خازن به زیر نقطه نگهداری اتصال P-N (VOFF) کاهش یابد، آنگاه ترانزیستور تک پیوندی خاموش (off) می‌شود و هیچ جریانی به پیوند امیتر وارد نمی‌شود، بنابراین یک‌بار دیگر خازن از طریق مقاومت R3 شارژ می‌شود و درحالی‌که یک ولتاژ تغذیه VS به مدار اعمال می‌شود، این فرآیند شارژ شدن و تخلیه شارژ (دشارژ) بین VOFF و VON به‌طور مداوم تکرار می‌شود.
شکل موج‌های نوسان‌ساز UJT

پس می‌بینیم که نوسان‌ساز تک پیوندی بدون هیچ بازخوردی خاموش و روشن می‌شود. فرکانس عملیات نوسان‌ساز به‌طور مستقیم به مقدار مقاومت شارژ R3 که با خازن C1 سری است و مقدار η بستگی دارد. شکل پالس خروجی تولیدشده از پایانه Base1 (B1) دندان‌اره‌ای است، و شما برای تنظیم دوره زمانی تنها باید مقدار اهمی مقاومت R3 را تغییر دهید زیرا این تغییر ثابت زمانی RC برای شارژ خازن را تنظیم می‌کند.

دوره زمانی (T) شکل موج دندان‌اره‌ای معادل حاصل جمع زمان شارژ شدن و زمان تخلیه شارژ (دشارژ) خازن است. ازآنجایی‌که زمان تخلیه شارژ (T1) معمولاً از زمان شارژ (T2) بسیار کوتاه‌تر است، بنابراین دوره زمانی نوسان‌ساز تقریباً معادل با T2 T≅ است. به‌این‌ترتیب، فرکانس نوسان‌ساز به‌صورت F=1/T است.

مثال 1: نوسان‌ساز UJT

در برگه اطلاعات برای یک ترانزیستور تک پیوندی 2N2646، نسبت ولتاژ شکست درونی η برابر 65/0 داده‌شده است. اگر یک خازن 100 نانو فاراد (100nf) برای تولید پالس‌های زمان‌بندی استفاده شود، مقدار مقاومت زمانی موردنیاز برای تولید یک فرکانس نوسان‌ساز 100 هرتز (100Hz) را محاسبه کنید.

دوره تناوب به شرح زیر خواهد بود:

مقدار مقاومت زمان‌بندی و R3 به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

پس، مقدار مقاومت شارژ موردنیاز در این مثال ساده معادل 3/95 کیلو اهم (Ωk 95.3) است. بااین‌حال، اگر مقدار مقاومت R3 خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد، نوسان‌ساز رلاکسیون برای عملکرد مناسب به شرایط خاص نیاز دارد.

برای مثال، اگر مقدار مقاومت R3 بیش‌ازحد بزرگ باشد (حدود چند مگا اهم باشد)، ممکن است خازن به‌اندازه کافی شارژ نشود که بتواند امیتر UJT را برای هدایت راه‌اندازی کند اما درهرحال مقدار مقاومت باید به‌اندازه‌ی کافی بزرگ باشد تا مطمئن شویم هنگامی‌که ولتاژ خازن به مقداری کمتر از ولتاژ راه‌انداز تخلیه شد، ترانزیستور تک پیوندی خاموش (off) می‌شود.

به همین ترتیب، گر مقدار مقاومت R3 بیش‌ازحد کوچک باشد (در حدود چند صد اهم باشد)، هنگامی‌که جریان درون پایانه امیتر جاری شود، ممکن است مقدار جریان به حدی بزرگ باشد که دستگاه را درون منطقه اشباع خود قرار دهد و از خاموش شدن آن به‌طورکلی جلوگیری کند. درنتیجه، مدار نوسان‌ساز تک پیوندی برای نوسان کردن دچار خطا می‌شود.

مدار کنترل سرعت ترانزیستور تک پیوندی

یکی از کاربردهای رایج مدار ترانزیستور تک پیوندی بالا تولید مجموعه‌ای از پالس‌هایی است که یک تریستور را راه‌اندازی و کنترل می‌کند. با استفاده از UJT به‌عنوان مدار راه‌انداز کنترل فاز در اتصال با یک SCR یا ترایاک می‌توانیم سرعت موتور یونیورسال AC یا DC را همان‌طور که در شکل بالا نشان داده‌شده است، تنظیم کنیم.

کنترل سرعت ترانزیستور تک پیوندی

با استفاده از مدار فوق می‌توانیم سرعت یک موتور سری یونیورسال (هر نوع بار دلخواه مانند بخاری، لامپ‌ها و غیره) را تنظیم جریان جاری از طریق SCR کنترل کنیم. برای با تغییر فرکانس پالس دندان‌اره‌ای که با تغییر مقدار پتانسیومتر حاصل می‌شود، می‌توان سرعت موتورها را کنترل کرد.

خلاصه بررسی ترانزیستور تک پیوندی

همان‌طور که مشاهده شد، یک ترانزیستور تک پیوندی یا UJT، یک دستگاه نیمه‌هادی الکترونیکی است که تنها یک اتصال P-N درون یک کانال اهمی نوع N (یا نوع P) دارد که این کانال دارای کمی ناخالصی است. ترانزیستور UJT دارای سه پایانه است که یکی از آن‌ها پایانه امیتر (E) و دو پایانه دیگر پایانه‌های پایه‌ای B1 و B2 می‌باشند.

دو اتصال اهمی B1 و B2 در دو انتهای کانال نیمه‌هادی با مقاومت بین B1 و B2قرارگرفته‌اند، هنگامی‌که امیتر مدارباز می‌شود، به این مقاومت، مقاومت interbase) RBB) گفته می‌شود. هنگامی‌که این مقاومت را با اهم‌سنج اندازه‌گیری کنیم، مقدار آن برای اکثر UJT های معمولی بین 4kΩ تا 10kΩ است. نسبت RB1 به RBB، نسبت ولتاژ آستانه شکست درونی گفته می‌شود و با نماد یونانی η (eta) نمایش داده می‌شود. معمولاً مقدار استاندارد η برای اکثر UJT ها بین 5/0 تا 8/0 است.

ترانزیستور تک پیوندی یک دستگاه راه‌انداز نیمه‌هادی است که در مدارهای مختلفی مورداستفاده قرار می‌گیرد و در موارد متفاوتی ازجمله راه‌اندازی ترسیتورها و ترایاک‌ها، ژنراتورهای دندان‌اره‌ای و مدارهای کنترل فاز کاربرد دارد.

ویژگی مقاومت منفی ترانزیستور تک پیوندی باعث می‌شود که بتوان از آن به‌عنوان نوسان‌ساز ساده رلاکسیون استفاده کرد. هنگامی‌که ترانزیستور تک پیوندی به‌عنوان یک نوسان‌ساز رلاکسیون متصل می‌شود، می‌تواند به‌طور مستقل و بدون مدار مخزن یا شبکه بازخوردی پیچیده RC نوسان کند. هنگامی‌که UJT به این طریق متصل می‌شود، می‌تواند زنجیره‌ای از پالس‌های با مدت‌زمان متغیر را با تغییر مقاومت (R) و خازن (C) منفرد تولید کند.

ترانزیستورهای تک پیوندی رایج عبارتند از: 2N1671، 2N2646، 2N2647 و غیره؛ ترانزیستور 2N2646 محبوب‌ترین ترانزیستور تک پیوندی مورداستفاده برای ژنراتورهای پالس و دندان‌اره‌ای و مدارهای تأخیر زمانی است. سایر ژنراتورهای تک پیوندی موجود را UJT های قابل‌برنامه‌ریزی نامیده می‌شوند که پارامترهای سوئیچینگ آنها را می‌توان توسط مقاومت‌های خارجی تنظیم کرد. رایج‌ترین ترانزیستورهای تک پیوندی قابل‌برنامه‌ریزی 2N6027 و 2N6028 هستند.

 

منبع: فرادرس